不同排架模拟方法对水电站厂房振动特性仿真结果的影响

2018-12-19，，，

长江科学院院报 2018年12期

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(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

地面式水电站厂房发电机层楼板高程以上存在排架结构，用于支撑吊车梁和屋架结构[1]。同厂房发电机层楼板高程以下的结构相比，排架结构是薄弱结构，其抗振能力也最弱。在进行厂房结构的动力分析时，若按实际情况建立带排架结构的厂房模型会使计算复杂化，当计算结构自振特性时，大部分振型都将是排架结构的振动，想了解厂房结构的整体性振动的振型，需要计算的阶数多，计算工作量大。因此，在对水电站厂房结构进行振动分析时，有时会将排架结构进行简化处理，主要分为以下2种方法：一是直接去掉排架结构，二是采用质量单元模拟排架结构对厂房其他结构的影响[2-3]。但不同的模拟方法，其计算精度存在差异，采用上部排架简化模拟方法能否满足精度要求目前尚无相关研究[4]。本文以大渡河泸定水电站厂房为工程背景，对比分析不同排架模拟方法对水电站厂房振动特性模拟结果的影响。

1 计算模型和方案

本研究采用ANSYS软件，以大渡河泸定水电站单个组段厂房为对象进行研究，厂房横河向长度为29.78 m，厂房顺河向长度为57.70 m，厂房高度为60.25 m，上下游侧和厂房底部基岩均取为60 m[5]。

计算模型采用笛卡尔直角座标系，水平方向为x轴，面向下游沿厂房纵轴指向左端为正，铅垂方向为y轴，向上为正；水平方向为z轴，指向下游为正；水轮机安装高程与机组轴线相交处为坐标系原点。计算基本模型如图1所示，图中灰色部分为基岩，阴影部分为回填混凝土，白色部分为结构混凝土。

图1 基本计算模型Fig.1 Basic computation model

对计算范围内蜗壳、座环及外围混凝土均按实际尺寸进行模拟，钢蜗壳、座环、尾水管内衬、机井内衬等钢结构采用四结点板或壳单元，个别过渡区域采用三结点板或壳单元；混凝土、基岩均采用八结点六面体单元，个别区域采用四面体单元过渡。

对于排架，针对计算分析中常用的模拟方法，本文共对比分析了以下3种计算方案，见表1。

计算边界条件为厂房下部基岩的各个面施加法向约束，蜗壳进水口处钢管横断面沿管轴向施加法向约束，其他边界均为自由边界。

表1 计算方案Table 1 Computation schemes

模型包括基岩、混凝土、钢材和垫层，共4种材料，模型范围内混凝土等级均为C25，基岩采用无质量地基，材料参数见表2。

表2 模型材料计算参数Table 2 Material parameters

2 自振特性分析

为分析不同排架模拟方法对厂房自振特性仿真结果的影响，分别提取不同计算方案厂房整体结构前200阶自振频率，如图2所示。

图2 3种方案前200阶自振频率Fig.2 The first 200 order natural frequencies in three schemes

由于排架结构的存在，方案1中很大一部分的振型均表现为排架的振动，同时排架结构的起振频率很低，因此，方案1的频率明显低于其他2种方案。从图2看出方案2和方案3的自振频率差别不大，但方案2中将排架结构用质量单元考虑其对厂房其他结构振动的影响，质量单元施加在发电机层楼板的对应位置上，实际上使厂房结构的上部质量有所增加，因此自振频率较方案3略有降低。

方案1的第9阶振型表现为厂房整体结构的振动，而前8阶均表现为排架结构的振动，这也说明排架结构是厂房结构中最薄弱的部分。

由于方案2和方案3的自振频率差别不大，且振型基本一致，在方案1中选出与方案2和方案3前10阶对应的频率和振型，列于表3。

表3 方案1与方案2和方案3前10阶对应频率和振型Table 3 Natural frequencies in the first schemecorresponding to the first 10 order natural frequenciesof the other schemes

比较分析上述计算成果，排架对厂房下部结构影响不大，如果仅为了解楼板、立柱等发电机层以下结构的自振特性，将排架结构简化为质量单元施加在相应位置，或直接去掉，不会对计算结果造成较大影响。

图3 机组基础和机组振动荷载示意图Fig.3 Schematic of generator foundation and dynamic load application

3 机组动荷载作用下的动力响应分析

水电站厂房机组运行时振动荷载传递至厂房结构，会引起厂房整体或局部结构的振动。本节将在表1所列方案的基础上，施加正常运行工况下机组振动荷载，采用谐响应方法，研究不同排架模拟方法对机组振动荷载作用下厂房结构动力响应的影响。本文计算中将机组振动荷载分解成竖向、径向和环向3个方向。上机架、定子、下机架基础和机组振动荷载示意如图3所示[6]。

本水电站厂房机组设备荷载取值见表4，假定各振动荷载均为简谐荷载，幅值为表中所列的数值，在基础板上均匀施加各向荷载，频率为1.667 Hz，各振动荷载相位相同。

表4 机组设备荷载Table 4 Load parameters of the generator set kN

注：表中荷载为总荷载，分别由12个定子基础板、12个下机架基础板和4个上机架基础板均分

下面将从厂房各部分结构的振幅和动应力方面开展分析，分析上部排架结构不同的简化方式对机组动荷载作用下动力响应的影响。

3.1 振幅

机墩是机组主要的混凝土支承结构，直接影响机组的稳定性。楼板是水电站厂房结构中的薄弱环节，以往计算分析及实践经验证明厂房结构中楼板最容易因振动而引起损害，同时由于运行人员和电气设备经常居于其上，因此对楼板的振动应该严格控制[7-8]。根据厂房结构振动分析中重点关注的对象，本文选取上机架基础、定子基础、下机架基础振幅最大值和楼板特征点等部位计算结果进行整理分析。其中，楼板特征点1—4位于主厂房发电机层楼板，6—9位于主厂房水轮机层楼板，5，10，11，12位于副厂房楼板，具体位置如图4所示。

图4 楼板特征点示意图Fig.4 Feature points on the floor

3种方案下发电机基础及楼板各特征点的振幅分别如表5、表6所示。

比较分析上述计算成果可知，3种方案下发电机基础的动位移即使精确到0.1 μm，结果仍然保持一致，楼板竖直向振幅也几乎完全一致，说明是否选取排架柱、是否采用质量单元模拟排架柱结构的质量，对机组振动荷载作用下发电机基础及厂房楼板的动位移影响不大。

表5 3种方案发电机基础各向振幅Table 5 Maximum vibration amplitude of generatorfoundation in radial, vertical, and tangential directions inthree schemes

注：绝对振幅是指考虑基岩和相应约束条件下，计算得到的振幅；相对振幅是指上述绝对振幅减掉安装高程基准面振幅后得到的振幅

表6 3种方案楼板特征点竖直向振幅Table 6 Vibration amplitude of feature points onthe floor in three schemes

方案1中由于按实际情况考虑了发电机层楼板以上的排架结构，因此，通过方案1可以得到排架结构的振幅计算结果。例如，正常运行时，在机组动荷载作用下厂房结构(含排架结构)的各向振幅情况详见图5。

图5 厂房结构不同方向振幅Fig.5 Vibration amplitudes in different directions of powerhouse structure

从图5中可以看出：正常运行时，在机组振动荷载作用下排架结构的z向(上下游方向)振幅是厂房结构z向最大振幅所在的位置，大约为0.069 2 mm，数值较小；排架结构在竖直向上随厂房整体振动，自身各部分的差别较小；x向(厂房纵轴线方向)振幅很小，x向排架结构的刚度是相对较大的。

根据以上计算成果分析，本工程正常运行时，在机组振动荷载作用下排架结构的振幅不大，并不是需要重点注意的位置，可以进行简化处理。

3.2 动应力

本小节将分析3种方案厂房混凝土的动应力情况。图6分别为方案1—方案3厂房混凝土第一主应力的分布图。

图6 不同方案下混凝土的第一主应力Fig.6 First principal stress in different schemes

从图6可以看出：3种方案的第一主应力数值和分布基本一致，差别极小。厂房大部分区域动应力数值很小，3种方案的动应力最大值均出现在机坑进人门的上边角处，主要是由应力集中导致的。

考虑到排架柱可能对与之连接的楼板附近的动应力造成较大影响，特别整理了如图7所示特征点的动应力。

图7 楼板与立柱连接处特征点Fig.7 Feature points at the joint between slab and column

3种方案特征点动应力数值对比详见图8。从图8可以看出：正常运行时，在机组振动荷载作用下排架结构与楼板连接处的动应力不大，基本在0.1 MPa以下，数值很小；在动应力特别小时，如特征点1，2，5，7，11，动应力数值基本在0.03 MPa以下；2,3,10点动应力数值较大并较为接近，约为0.1 MPa。在动应力数值很小时，动应力不是结构中重点关注的对象，不同方案的差别很小，因此，有无发电机层楼板以上的排架结构或是否采用质量单元模拟排架结构的质量，对厂房结构动应力的分布影响不大。